具有垂直磁隧道结的磁存储装置制造方法

具有垂直磁隧道结的磁存储装置制造方法
【专利摘要】提供了一种磁存储装置，所述磁存储装置可以包括通过隧道阻挡件彼此分隔开的自由磁结构和参考磁结构。自由磁结构可以包括交换耦合层以及通过交换耦合层彼此分隔开的第一自由层和第二自由层。第一自由层可以设置在第二自由层和隧道阻挡件之间。第一自由层的厚度可以大于第一最大各向异性厚度，第一最大各向异性厚度是第一自由层具有最大垂直各向异性时的厚度。第二自由层的厚度可以小于第二最大各向异性厚度，第二最大各向异性厚度是第二自由层具有最大垂直各向异性时的厚度。具有不同厚度的两个自由层的磁隧道结能够实现具有提高的MR比率和减小的切换电流的磁存储装置。
【专利说明】具有垂直磁隧道结的磁存储装置
[0001] 本专利申请要求于2013年8月2号提交到韩国知识产权局的第10-2013-0091983 号韩国专利申请的优先权，该韩国专利申请的内容通过引用被全部包含于此。

【技术领域】
[0002] 本发明构思的示例实施例涉及磁存储装置，具体地讲，涉及具有垂直磁隧道结的 磁存储装置。

【背景技术】
[0003] 由于对具有快速操作速度和低功耗的电子装置的增长的需求，用在这些电子装置 中的半导体器件也必须用低的操作电压提供快速的操作速度。作为满足这样的需求的方 式，已经提出了磁存储装置。例如，磁存储装置可以提供诸如低延迟（latency)和非易失性 的技术优点。因此，磁存储装置正在被认为是新兴的下一代存储装置。
[0004] 磁存储装置可以包括磁隧道结（MTJ)。磁隧道结可以包括两个磁层和设置在两个 磁层之间的隧道阻挡层。磁隧道结的电阻可以根据磁层的磁化方向而改变。例如，当磁层 具有反平行的磁化方向时的磁隧道结的电阻可以比当磁层具有平行磁化方向时的磁隧道 结的电阻高。这样的电阻差异可以用于磁存储装置的数据存储操作。然而，仍然需要进行 更多的研究以能够成功地并且有效地大批量制造磁存储装置。


【发明内容】

[0005] 本发明构思的示例实施例提供了一种磁存储装置及其制造方法，在该磁存储装置 中，磁隧道结被构造为具有提高的MR比率和/或减小的切换电流。
[0006] 根据本发明构思的示例实施例，一种磁存储装置可以包括彼此分隔开的自由磁结 构和参考磁结构，并且隧道阻挡件设置在它们之间。自由磁结构可以包括交换耦合层以及 在交换耦合层的相反侧上彼此分隔开的第一自由层和第二自由层，并且第一自由层可以设 置在第二自由层和隧道阻挡件之间。第一自由层的厚度可以大于第一最大各向异性厚度 (第一自由层具有最大垂直各向异性时的厚度），第二自由层的厚度可以小于第二最大各 向异性厚度（第二自由层具有最大垂直各向异性时的厚度）。
[0007] 在示例实施例中，第一自由层和第二自由层可以被构造为具有界面垂直各向异 性。
[0008] 在示例实施例中，第一自由层的厚度可以小于最大厚度，从而使第一自由层具有 垂直磁化。
[0009] 在示例实施例中，第二自由层的厚度可以大于最小厚度，从而使第二自由层具有 垂直磁化。
[0010] 在示例实施例中，第二自由层可以包括具有非晶结构的至少一部分。
[0011] 在示例实施例中，第一自由层可以包括与第二自由层相同的材料，并且第一自由 层的厚度可以是第二自由层的厚度的至少大约1. 5倍。
[0012] 在示例实施例中，第一自由层和第二自由层中的每个可以包括展现出固有的面内 磁化性质的材料。
[0013] 在示例实施例中，第一自由层和第二自由层可以包括钴、铁和镍中的至少一种和 硼。
[0014] 在示例实施例中，自由磁结构还可以包括与交换耦合层分隔开并且布置在第二自 由层的与交换耦合层相反的一侧上的垂直磁化增强层。
[0015] 在示例实施例中，垂直磁化增强层可以与第二自由层接触。
[0016] 在示例实施例中，垂直磁化增强层可以包括具有非晶结构的至少一部分。
[0017] 在示例实施例中，垂直磁化增强层可以比隧道阻挡件薄。
[0018] 在示例实施例中，垂直磁化增强层的RA值可以小于隧道阻挡件的RA值，其中，R表 示电阻，A表示与相邻层的接触面积。
[0019] 在示例实施例中，垂直磁化增强层可以包括金属氧化物。
[0020] 在示例实施例中，所述磁存储装置还可以包括基底。自由磁结构可以设置在基底 和隧道阻挡件之间。
[0021] 在示例实施例中，所述磁存储装置还可以包括基底。自由磁结构可以在隧道阻挡 件的与基底相反的一侧上与基底分隔开地设置。
[0022] 在示例实施例中，交换耦合层可以包括金属。
[0023] 在示例实施例中，交换耦合层可以包括了&、1、吣、此、11、0、￥、1〇和1^中的至少 一种。
[0024] 根据本发明构思的示例实施例，一种磁存储装置可以包括：隧道阻挡件，位于基底 上；以及自由磁结构和参考磁结构，在隧道阻挡件的相反侧上彼此分隔开。自由磁结构可以 包括：第一自由层和第二自由层，在交换耦合层的相反侧上彼此分隔开以具有界面垂直磁 各向异性；以及垂直磁化增强层，与第二自由层接触地布置并且布置在第二自由层的与交 换耦合层相反的一侧上。第二自由层可以比第一自由层薄。
[0025] 在示例实施例中，垂直磁化增强层可以包括具有非晶结构的至少一部分。
[0026] 在示例实施例中，垂直磁化增强层可以比隧道阻挡件薄。
[0027] 在示例实施例中，垂直磁化增强层的RA值可以小于隧道阻挡件的RA值，其中，R表 示电阻，A表示与相邻层的接触面积。
[0028] 在示例实施例中，垂直磁化增强层可以包括金属氧化物。
[0029] 在示例实施例中，第一自由层的厚度可以大于第一最大各向异性厚度（第一自由 层具有最大垂直各向异性时的厚度），并且第一自由层的厚度可以小于最大厚度，从而使第 一自由层具有垂直磁化。
[0030] 在示例实施例中，第二自由层的厚度可以大于最小厚度，使第二自由层具有垂直 磁化，并且第二自由层的厚度可以小于第二最大各向异性厚度（第二自由层具有最大垂直 各向异性时的厚度）。
[0031] 根据本发明构思的示例实施例，一种磁存储装置可以包括：隧道阻挡件，位于基底 上；以及自由磁结构和参考磁结构，在隧道阻挡件的相反侧上分隔开地布置。自由磁结构可 以包括：第一自由层和第二自由层，在交换耦合层的相反侧上彼此分隔开；以及垂直磁化 增强层，与第二自由层接触并且布置在第二自由层的与交换耦合层相反的一侧上。垂直磁 化增强层和第二自由层中的每个可以包括具有非晶结构的至少一部分。
[0032] 在示例实施例中，第一自由层可以具有BCC结构，隧道阻挡件可以具有NaCl结构。
[0033] 在示例实施例中，垂直磁化增强层可以比隧道阻挡件薄，并且垂直磁化增强层可 以包括金属氧化物。
[0034] 在示例实施例中，第一自由层的厚度可以大于第一最大各向异性厚度，并且可以 小于最大厚度，从而使第一自由层具有垂直磁化。
[0035] 在示例实施例中，第二自由层的厚度可以大于最小厚度，使得第二自由层具有垂 直磁化，并且可以小于第二最大各向异性厚度。
[0036] 在示例实施例中，交换耦合层可以包括了&、1、吣、此、11、0、￥、1〇和1^中的至少 一种。

【专利附图】

【附图说明】
[0037] 根据下面的结合附图的简要描述，示例实施例将被更清楚地理解。在附图中：
[0038] 图1是示出根据本发明构思的示例实施例的磁存储装置的单位存储单元的示意 电路图。
[0039] 图2和图3是示出根据本发明构思的示例实施例的磁隧道结的示意图。
[0040] 图4是示出根据本发明构思的示例实施例的磁隧道结的自由磁结构的略微示意 性的剖视图。
[0041] 图5是示出根据本发明构思的其它示例实施例的磁隧道结的自由磁结构的略微 示意性的剖视图。
[0042] 图6和图7是示出根据本发明构思的其它示例实施例的磁隧道结的自由磁结构的 略微示意性的剖视图。
[0043] 图8是示出根据本发明构思的示例实施例的磁隧道结的参考磁结构的略微示意 性的剖视图。
[0044] 图9是示出根据本发明构思的其它示例实施例的磁隧道结的参考磁结构的略微 示意性的剖视图。
[0045] 图10和图11是示出根据本发明构思的其它示例实施例的磁隧道结的参考磁结构 的略微示意性的剖视图。
[0046] 图12是磁层和垂直磁化诱导层之间的界面的略微示意性图示，以帮助描述磁层 由于与垂直磁化诱导层接触所引起的界面垂直磁各向异性。
[0047] 图13是示出界面磁层的垂直各向异性和磁存储装置的MR比率对界面磁层的厚度 的依赖性的曲线图。
[0048] 图14和图15是示意性地示出包括根据本发明构思的示例实施例构造的一个或更 多个半导体器件的电子装置的框图。

【具体实施方式】
[0049] 现在将参照附图更充分地描述本发明构思的示例实施例，在附图中示出了示例实 施例。然而，本发明构思的示例实施例可以以许多不同的形式来实施，并且不应该被理解为 局限于在此提出的实施例；而是，提供这些实施例使得本公开将是彻底的且完整的，并将把 示例实施例的构思充分地传达给本领域的技术人员。在附图中，每个图意图示出特定示例 实施例中利用的方法、结构和/或材料的一般特性，并且意图对以下提供的书面描述进行 补充。然而，附图并不是按比例的并且可能不会精确地反映任意给出的实施例的结构或性 能特性，并且不应该被解释为限定或限制这些示例实施例包含的值或性质的范围。例如，为 了清楚起见，可以缩小或夸大分子、层、区域和/或结构元件的相对厚度和位置。在各附图 中使用相同或相似的附图标记意在表示存在相同或相似的元件或特征。在附图中，同样的 附图标记指示同样的元件，并且将省略其多余的描述。
[0050] 将理解的是当元件被称作"连接到"或"结合到"另一元件时，它可以直接连接到或 结合到所述另一元件，或者可以存在中间元件。相反地，当元件被称作"直接连接到"或"直 接结合到"另一元件时，不存在中间元件。应当以相同的方式解释用于描述元件或层之间 的关系的其它词语（例如"在…之间"和"直接在…之间"、"与…相邻"和"与…直接相邻"、 "在…上"和"直接在…上"）。
[0051] 将理解的是，尽管在这里可使用术语"第一"、"第二"等来描述不同的元件、组件、 区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分并不应该受这些术语的限制。 而是，这些术语仅是用来将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或 部分区分开来。因此，在不脱离示例实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区 域、层或部分可被命名为第二元件、组件、区域、层或部分。如在此使用的，术语"和/或"包 括一个或更多个相关所列项目的任意和所有组合。
[0052] 为了便于描述，在这里可使用空间相对术语，如"在…下面"、"在…下方"、"下部 的"、"在…上方"和"上部的"等来描述如图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的 关系。将理解的是，空间相对术语意在包含除了在图中描绘的方位之外的装置在使用或操 作中的不同方位。例如，如果图中的装置被翻转，则描述为在其它元件或特征"下面"或"下 方"的元件将被定位为"在"其它元件或特征"上方"。因此，示例性术语"在…下方"可包括 "在…上方"和"在…下方"两种方位。所述装置可以被另外定位（旋转90度或者在其它方 位），并且应当相应地解释这里使用的空间相对描述语。
[0053] 这里使用的术语仅是为了描述具体实施例的目的，而不意图限制本发明构思。如 这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式的"一"、"一个（种）"和"所述 (该）"也意图包括复数形式。还将理解的是，如果这里使用术语"包含"和/或"包括"，则 说明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或更多个 其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
[0054] 除非另有定义，否则这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本 发明构思所属领域的普通技术人员所通常理解的意思相同的意思。还将理解的是，除非这 里明确定义，否则术语（例如在通用的字典中定义的术语）应该被解释为具有与相关领域 的上下文中它们的意思一致的意思，而不应理想地或者过于形式化地解释它们的意思。
[0055] 图1是示出根据本发明构思的示例实施例的磁存储装置的单位存储单元的示意 电路图。
[0056] 参照图1，单位存储单元UMC可以设置在交叉的第一互连线Ll和第二互连线L2 之间。单位存储单元UMC可以串联连接到第一互连线Ll和第二互连线L2。单位存储单元 UMC可以包括选择器件SW和磁隧道结MTJ。选择器件SW和磁隧道结MTJ可以彼此串联电 连接。在特定实施例中，第一互连线LI和第二互连线L2中的一个可以被用作字线，并且另 一个可以被用作位线。
[0057] 选择器件SW可以被构造为选择性地控制经过磁隧道结MTJ的电流。例如，选择器 件SW可以是二极管、PNP双极晶体管、NPN双极晶体管、NMOS场效应晶体管（TFT)和PMOS FET中的一种。当选择器件SW是诸如双极晶体管和MOSFET的三端子开关器件时，额外的互 连线（未示出）可以连接到选择器件SW。
[0058] 磁隧道结MTJ可以包括第一垂直磁结构MSI、第二垂直磁结构MS2和设置在它们之 间的隧道阻挡件TBR。第一垂直磁结构MSl和第二垂直磁结构MS2中的每个可以包括至少 一个磁层。在示例实施例中，例如在图1中所示，磁隧道结MTJ还可以包括设置在第一垂直 磁结构MSl和选择器件SW之间的第一导电结构CSl，以及设置在第二垂直磁结构MS2和第 二互连线L2之间的第二导电结构CS2。
[0059] 图2和图3是示出根据本发明构思的示例实施例的磁隧道结的示意图。参照图2 和图3,第一垂直磁结构MSl和第二垂直磁结构MS2的磁层中的一个可以被构造为具有固定 的磁化方向，所述固定的磁化方向不被普通环境下产生的外部磁场改变。在本说明书中，为 了便于说明，术语"参考磁结构PNL"将被用于表示具有这种固定的磁化性质的磁层。相反 地，第一垂直磁结构MSl和第二垂直磁结构MS2的磁层中的另一个可以被构造为具有可变 的磁化方向，所述可变的磁化方向可以通过施加到其的外部磁场来进行切换。在下文中，术 语"自由磁结构FRL"将被用于表示具有这种可切换的磁化性质的磁层。例如，如在图2和 图3中所示，磁隧道结MTJl和MTJ2可以包括通过隧道阻挡件TBR彼此分隔开的至少一个 自由磁结构FRL和至少一个参考磁结构PNL。
[0060] 磁隧道结MTJl和MTJ2的电阻可以取决于自由磁结构FRL和参考磁结构PNL的磁 化方向的相对取向。例如，在相对取向是反平行时磁隧道结MTJl和MTJ2的电阻可以远大 于相对取向是平行时的电阻。这意味着磁隧道结MTJl和MTJ2的电阻可以通过改变自由磁 结构FRL的磁化方向来控制。根据本发明构思的实施例的磁存储装置可以通过利用该数据 存储机制来实现。
[0061] 如在图2和图3中所示，磁隧道结MTJl和MTJ2的第一垂直磁结构MSl和第二垂 直磁结构MS2可以顺序地形成在基底Sub上。根据自由磁结构FRL和基底Sub之间的相对 构造和/或自由磁结构FRL和参考磁结构PNL的形成次序，磁隧道结MTJl和MTJ2可以例 如被分为两种类型中的一种：
[0062] (a)第一类型的磁隧道结MTJ1，被构造成使得第一垂直磁结构MSl和第二垂直磁 结构MS2分别包括参考磁结构PNL和自由磁结构FRL，如图2中所示，以及
[0063] (b)第二类型的磁隧道结MTJ2,被构造成使得第一垂直磁结构MSl和第二垂直磁 结构MS2分别包括自由磁结构FRL和参考磁结构PNL，如图3中所示。
[0064] 图4是示出根据本发明构思的示例实施例的磁隧道结的自由磁结构的略微示意 性的剖视图。
[0065] 参照图4,自由磁结构FRL可以包括顺序地设置在隧道阻挡件TBR和第二导电结 构CS2之间的第一自由层FL1、第一交换耦合层105和第二自由层FL2。根据本实施例，自 由磁结构FRL可以是图2的第一类型的磁隧道结MTJl的一部分。
[0066] 隧道阻挡件TBR可以包括如下材料中的至少一种：镁（Mg)的氧化物、钛（Ti)的氧 化物、铝（Al)的氧化物、镁-锌（MgZn)的氧化物、镁-硼（MgB)的氧化物、钛（Ti)的氮化 物和钒（V)的氮化物。例如，隧道阻挡件TBR可以是氧化镁（MgO)层。可选择地，隧道阻挡 件TBR可以包括由一种或更多种不同材料组成的多个层。
[0067] 可以选择第一交换耦合层105的厚度，使得第一自由层FLl能通过与第二自由层 FL2的磁相互作用展现反平行垂直磁化。第一自由层FLl和第二自由层FL2之间的交换积 分能（exchangeintegralenergy)可以是零或更高。在示例实施例中，第一交换f禹合层 105可以具有大约2A至大约IOA之间的范围的厚度。
[0068] 第一交换耦合层105可以由以下材料中的至少一种形成或包括以下材料中的至 少一种：Ta、W、Nb、Ru、Ti、Cr、V、Mo和Re。第一交换耦合层105可以例如形成为具有体心 立方（BCC)或六方密堆积（HCP)结构。
[0069] 垂直磁化增强层150可以设置在第二自由层FL2和第二导电结构CS2之间。垂直 磁化增强层150可以包括金属氧化物层。例如，垂直磁化增强层150可以包括从由镁（Mg) 的氧化物、钛（Ti)的氧化物、铝（Al)的氧化物、镁-锌（MgZn)的氧化物和镁-硼（MgB)的 氧化物组成的组中选择的至少一种材料。例如，垂直磁化增强层150可以由氧化镁（MgO)形 成。垂直磁化增强层150的至少一部分可以具有非晶结构。例如，垂直磁化增强层150可 以是基本上非晶的，或者它的与第二自由层FL2接触的下部可以是非晶的。这里，"基本上 非晶的"意味着所考虑的层或图案实质上是非晶的，虽然其中的一部分可以具有局部化的 晶界或不同的结晶取向。例如，基本上非晶的层可以包括具有小角度晶界的多个部分。
[0070] 根据本发明构思的示例实施例，例如，因为通过第一交换耦合层105与第一自由 层FLl的反铁磁交换耦合，所以第二自由层FL2可以具有与其厚度方向平行的磁化方向。换 句话说，第二自由层FL2可以具有与隧道阻挡件TBR的顶表面垂直的磁化方向。
[0071] 第一自由层FLl和第二自由层FL2可以包括具有界面垂直磁各向异性的材 料。界面垂直磁各向异性可以指垂直磁化现象，其中，当具有固有的面内磁化（in-plane magnetization)性质的磁层与另一层接触时，可以在该磁层的界面处看到所述垂直磁化现 象。这里，术语"固有的面内磁化性质"意味着：当没有向其施加的外部磁场时，磁层的磁化 方向平行于磁层的纵向方向而取向。例如，在具有固有的面内磁化性质的磁层形成在基底 上并且没有向其施加的外部磁场的情况下，磁层的磁化方向可以基本平行于基底的顶表面 而取向。
[0072] 虽然第一自由层FLl和第二自由层FL2具有固有的面内磁化性质，但是与它们相 邻的层可以使第一自由层FLl和第二自由层FL2展现非固有的垂直磁化性质。非固有的垂 直磁化性质可以取决于自由层的厚度。现在将参照图12和图13更详细地描述界面磁层的 界面垂直磁各向异性和装置的MR比率对界面磁层的厚度的依赖性。
[0073] 图12是磁层IPA和垂直磁化诱导层PM之间的界面的略微示意性图示，以帮助描 述磁层IPA由于与垂直磁化诱导层PM接触所引起的界面垂直磁各向异性。接触垂直磁化 诱导层PM的磁层在下文中将称作"界面磁层IPA"。图13是示出界面磁层IPA的垂直各向 异性和具有界面磁层IPA的磁存储装置10的MR比率对界面磁层IPA的厚度t的依赖性的 曲线图。
[0074] 参照图12和图13,虽然界面磁层IPA可以具有固有的面内磁化性质，但是由于界 面磁层IPA与垂直磁化诱导层PM接触，所以界面磁层IPA的磁化方向可以改变成平行于界 面磁层IPA的厚度方向（例如，Z方向）。这样的界面垂直磁各向异性可以由例如各种可 能原因中的至少一种导致。界面垂直磁各向异性可以由例如金属和氧之间的化学键合而导 致。例如，在垂直磁化诱导层PM包含金属氧化物（例如，MgO)并且界面磁层IPA包含CoFeB 的情况下，界面垂直磁各向异性可以由垂直磁化诱导层PM中的氧（0)和界面磁层IPA中的 铁（Fe)之间的化学键合而导致。例如，当界面磁层IPA中的非金属元素（例如硼（B))从 垂直磁化诱导层PM和界面磁层IPA之间的界面向外扩散（out-diffuse)或者耗尽时，氧和 铁之间的这种键合可以增强。例如在界面磁层IPA的沉积之后可执行的热处理工艺可以使 非金属元素（例如硼（B))向外扩散或耗尽，从而可以引起界面垂直磁各向异性。
[0075] 界面磁层IPA的界面垂直各向异性可以根据它的厚度而变化。例如，界面垂直各 向异性Ku*t可以通过下式表示：
[0076]【式1】 ^1,
[0077]Α.?t=-Hk·Is/ls·t 3
[0078] 其中，Hk是硬轴各向异性场，Ms是饱和磁化强度，t是厚度，并且Ku是各向异性能。
[0079] 如在图13中所示，界面垂直各向异性Ku*t在界面磁层IPA的特定厚度处具有最 大值，其中，所述特定厚度将被称作"最大各向异性厚度"tM。即，界面磁层IPA的界面垂直 各向异性在从第一厚度^至最大各向异性厚度tM的厚度范围内逐渐提高，然后，在从最大 各向异性厚度tM至第二厚度t2的厚度范围内逐渐降低。第一厚度^可以是允许界面磁层 IPA具有垂直磁化的界面磁层IPA的最小厚度。例如，在界面磁层IPA的厚度小于第一厚度 h的情况下，界面磁层IPA可以展现面内磁化或具有非磁性性质。
[0080] 第二厚度t2可以是仍然允许界面磁层IPA具有垂直磁化的界面磁层IPA的最大 厚度。例如，在界面磁层IPA的厚度大于第二厚度t2的情况下，界面磁层IPA可以展现面 内磁化，其是由对垂直磁化诱导层PM的依赖性相对降低引起的。
[0081] 换句话说，界面磁层IPA的界面垂直各向异性可以取决于它的厚度t，这可以影响 具有垂直磁化诱导层PM和界面磁层IPA的磁存储装置10的磁阻（MR)比率。磁存储装置 10的MR比率可以由下式表示：
[0082] 【式2】
[0083] MR比率=(Rap-Rp)/Rp，
[0084]其中，Rap是反平行电阻，Rp是平行电阻。
[0085] 从图13中还可以看到，磁存储装置10的MR比率以与界面垂直各向异性相似的方 式根据厚度而变化，但是对于最大MR比率的厚度（在下文中，称作最大MR厚度，tK)大于最 大各向异性厚度tM。
[0086] 第一厚度&、第二厚度t2、最大各向异性厚度tM和最大MR比率厚度tK可以通过改 变界面磁层IPA和垂直磁化诱导层PM的材料和组成来改变或控制。例如，当界面磁层IPA 包含CoFeB并且垂直磁化诱导层PM包含MgO时，第一厚度&可以是大约6Λ，第二厚度t2 可以是大约12A，最大各向异性厚度tM可以是大约8/?-9Α，最大MR比率厚度tK可以是大约 IiA0
[0087] 参照图4、图12和图13,第一自由层FLl的厚度可以基于期望的MR比率来确定， 第二自由层FL2的厚度可以基于期望的切换电流来确定。例如，第一自由层FLl可以形成 为相对厚以获取高的MR比率，第二自由层FL2可以形成为相对薄以实现小的切换电流。当 与第二自由层FL2相比较时，切换电流可以不依赖于第一自由层FLl的厚度或对第一自由 层FLl的厚度仅有弱的依赖性；而当与第一自由层FLl比较时，MR比率可以不依赖于第二 自由层FL2的厚度或对第二自由层FL2的厚度仅有弱的依赖性。
[0088] 在示例实施例中，隧道阻挡件TBR可以用作垂直磁化诱导层PM，第一自由层FLl和 第二自由层FL2可以用作界面磁层IPA。根据本实施例，与隧道阻挡件TBR相似，垂直磁化 增强层150可以用作诱导或增强第二自由层FL2的垂直各向异性的垂直磁化诱导层PM。
[0089] 在下文中，将更详细地讨论第一自由层FLl和第二自由层FL2的厚度。
[0090]第二自由层FL2的厚度可以大于用于实现第二自由层FL2的垂直磁化所需的最小 厚度，并且可以小于用于使第二自由层FL2具有最大垂直各向异性的厚度，S卩，最大各向异 性厚度。换句话说，在第二自由层FL2被用作图12和图13的界面磁层IPA的情况下，第二 自由层FL2的厚度可以大于第一厚度h并且小于最大各向异性厚度tM。由于第二自由层 FL2比第一自由层FLl更远离隧道阻挡件TBR，所以第二自由层FL2控制用于切换磁隧道结 的磁化方向所需要的切换电流。磁隧道结在OK温度处的切换电流可以通过下式表示：
[0091]【式3】
[0092]

【权利要求】
1. 一种磁存储装置，所述磁存储装置包括： 自由磁结构，W及 参考磁结构，与自由磁结构分隔开并且具有布置在自由磁结构与参考磁结构之间的隧 道阻挡件， 其中，自由磁结构包括交换禪合层W及在交换禪合层的相反侧上彼此分隔开的第一自 由层和束-自由层， 其中，第一自由层设置在第二自由层和隧道阻挡件之间， 其中，第一自由层的厚度大于第一自由层具有最大垂直各向异性时的第一最大各向异 性厚度，W及 其中，第二自由层的厚度小于第二自由层具有最大垂直各向异性时的第二最大各向异 性厚度。
2. 根据权利要求1所述的磁存储装置，其中，第一自由层和第二自由层被构造为具有 界面垂直各向异性。
3. 根据权利要求2所述的磁存储装置，其中，第一自由层的厚度小于第一自由层不再 具有垂直磁化时的最大厚度，从而使第一自由层具有垂直磁化。
4. 根据权利要求2所述的磁存储装置，其中，第二自由层的厚度大于最小厚度，从而使 第二自由层具有垂直磁化，其中，在所述最小厚度W下第二自由层不具有垂直磁化。
5. 根据权利要求1所述的磁存储装置，其中，第二自由层包括具有非晶结构的至少一 部分。
6. 根据权利要求1所述的磁存储装置，其中，第一自由层包括与第二自由层相同的材 料，W及 其中，第一自由层的厚度为第二自由层的厚度的至少1. 5倍。
7. 根据权利要求1所述的磁存储装置，其中，第一自由层和第二自由层中的每个包括 展现出固有的面内磁化性质的材料。
8. 根据权利要求7所述的磁存储装置，其中，第一自由层和第二自由层均包括钻、铁和 媒中的至少一种和测。
9. 根据权利要求1所述的磁存储装置，其中，自由磁结构还包括与交换禪合层分隔开 并且布置在第二自由层的与交换禪合层相反的一侧上的垂直磁化增强层。
10. 根据权利要求9所述的磁存储装置，其中，垂直磁化增强层与第二自由层接触。
11. 根据权利要求9所述的磁存储装置，其中，垂直磁化增强层包括具有非晶结构的至 少一部分。
12. 根据权利要求9所述的磁存储装置，其中，垂直磁化增强层比隧道阻挡件薄。
13. 根据权利要求9所述的磁存储装置，其中，垂直磁化增强层的RA值小于隧道阻挡件 的RA值，其中，R表示电阻，A表示与相邻层的接触面积。
14. 根据权利要求9所述的磁存储装置，其中，垂直磁化增强层包括金属氧化物。
15. 根据权利要求1所述的磁存储装置，所述磁存储装置还包括基底， 其中，自由磁结构设置在基底和隧道阻挡件之间。
16. 根据权利要求1所述的磁存储装置，所述磁存储装置还包括基底， 其中，自由磁结构在隧道阻挡件的与基底相反的一侧上与基底分隔开地设置。
17. 根据权利要求1所述的磁存储装置，其中，交换禪合层包括金属。
18. 根据权利要求17所述的磁存储装置，其中，交换禪合层包括Ta、W、Nb、Ru、Ti、Cr、 V、Mo和Re中的至少一种。
19. 一种磁存储装置，所述磁存储装置包括： 隧道阻挡件，位于基底上； 自由磁结构；W及 参考磁结构，与自由磁结构分隔开并且布置在隧道阻挡件的相反侧上， 其中，自由磁结构包括： 第一自由层和第二自由层，在交换禪合层的相反侧上彼此分隔开，第一自由层和第二 自由层具有界面垂直磁各向异性；W及 垂直磁化增强层，与第二自由层接触并且在第二自由层的与交换禪合层相反的一侧上 与交换禪合层分隔开，W及 其中，第二自由层比第一自由层薄。
20. 根据权利要求19所述的磁存储装置，其中，垂直磁化增强层包括具有非晶结构的 至少一部分。
21. 根据权利要求19所述的磁存储装置，其中，垂直磁化增强层比隧道阻挡件薄。
22. 根据权利要求19所述的磁存储装置，其中，垂直磁化增强层的RA值小于隧道阻挡 件的RA值，其中，R表示电阻，A表示与相邻层的接触面积。
23. 根据权利要求19所述的磁存储装置，其中，第一自由层的厚度大于第一最大各向 异性厚度，第一最大各向异性厚度为第一自由层具有最大垂直各向异性时的厚度，并且第 一自由层的厚度小于第一自由层不再具有垂直磁化时的最大厚度，从而使第一自由层具有 垂直磁化。
24. 根据权利要求19所述的磁存储装置，其中，第二自由层的厚度大于最小厚度，从而 使第二自由层具有垂直磁化，其中，在所述最小厚度W下第二自由层不具有垂直磁化，并且 第二自由层的厚度小于第二最大各向异性厚度，第二最大各向异性厚度为第二自由层具有 最大垂直各向异性时的厚度。
25. -种磁存储装置，所述磁存储装置包括： 隧道阻挡件，位于基底上；W及 自由磁结构和参考磁结构，通过隧道阻挡件彼此分隔开， 其中，自由磁结构包括： 第一自由层和第二自由层，通过交换禪合层彼此分隔开；W及 垂直磁化增强层，与第二自由层接触并且通过第二自由层与交换禪合层分隔开， 其中，垂直磁化增强层和第二自由层中的每个包括具有非晶结构的至少一部分。
【文档编号】H01L43/08GK104347796SQ201410370250
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2013年8月2日
【发明者】金佑塡, 金基雄, 林佑昶 申请人:三星电子株式会社